周学明，李 健，朱昌成，史天如，张耀东

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 前言

架空地线断线故障在全国范围内多次发生，引发原因存在多样性，有雷击、鸟害、污闪和锈蚀等。文献[1]介绍了广东电网辖区内一起鸟害引发110 kV架空地线断线故障的案例，文献[2]介绍了湖南电网辖区内一起污闪引发110 kV架空地线断线故障的案例，文献[3]介绍了湖南电网辖区内一起因地线本身锈蚀引发220 kV架空地线断线故障的案例。雷击是引发架空地线断线故障的主要原因，雷击引发架空地线断线故障在全国均有发生，文献[4-7]介绍了多起雷击引发110 kV及以下架空地线断线故障的案例。从各架空地线断线案例基本情况可知，绝大多数地线断口位于悬垂线夹处或出口附近，且断口显示有多股钢绞线存在熔断痕迹。架空地线作为输电线路的重要保护设施，其安全稳定运行对输电网和用户至关重要。架空地线断线故障轻则导致输电线路发生永久性故障，重则引发其它方面的安全事故。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（2012修订版）针对防断线事故专门提出了相关的反措要求，但架空地线断线故障依然时有发生，因此，针对架空地线断线特征，深入分析导致架空地线断线的因素，对有效开展防地线断线措施研究具有重要意义。

1 导致架空地线断线的因素

1.1 导致地线损伤的因素

正常运行过程中，导致架空地线损伤的因素通常有三种：1）地线锈蚀，长时间的运行不可避免地产生地线锈蚀，在污染严重的地区，地线锈蚀会更加严重，甚至可直接导致地线机械强度下降，直至拉断。2）雷电流灼伤，雷电流虽然幅值较大，但作用时间极短，能量小，通常不能直接导致地线断线，但集中的瞬时能量可造成钢丝灼伤。曾有研究机构用29～57 kA的振荡波（相当于48～95 kA 20/40 μm的雷电波）冲击Φ1.8 mm股径的GJ-50钢绞线做热效应试验，钢丝虽不致熔断，但表面已有烧伤痕迹，说明异常大的雷电流击中地线是有可能导致地线出现断股现象的；另外，线夹作为地线和杆塔的连接金具，是雷电流主要放电通道，线夹与地线之间始终存在部分间隙，雷电流在间隙间放电产生的电弧会导致地线外层出现局部灼伤。3）微风振动，架空电线受风的影响，经常出现的是均匀低速下的微风振动，个别覆冰情况下的舞动，当分裂导线加间隔棒时有时会在次档距振荡，其中微风振动最为常见，危害性更为普遍。架空电线的微风振动常以驻波型式表示，一定频率下的振荡波在波节点仅有角位移，且在电线位置上不变，档距两端电线悬挂点相对各种频率的振荡波均为波节点，受线夹约束使电线不能自由移动，是应力集中点，经常会受到拉、弯曲和挤压等静态应力，因此该处易产生电线材料的疲劳断股等损伤。另外，当线夹与电线压接不够紧密时，线夹与电线间会产生相对运动致使电线磨损，亦导致线夹与电线之间的接触电阻增大。

1.2 工频短路电流的热效应

雷击、鸟害或者污闪等因素导致绝缘子闪络后，由系统继续提供能量，维持续流通道。地线-杆塔系统的阻抗远小于杆塔-接地体系统阻抗（杆塔平均接地电阻为15 Ω，地线平均档距电阻为3.7/1 000×300=1.1 Ω）。因此在发生单相接地故障时，工频故障电流会沿地线分流至附近接地电阻小的杆塔而入地；在发生相间接地故障时，工频故障电流主要沿系统-导线-地线-导线-系统通道形成环流。故障时，工频故障电流最有可能通过线夹处，而线夹与地线的接触电阻相对较大，因此在线夹处发热最为严重。

1.3 热效应对地线机械强度的影响

工频短路电流的热效应会导致地线温度上升，钢绞线的机械强度随着温度的升高而下降，不同强度等级的钢管钢材机械强度随温度变化情况如图1所示。

图1 钢材机械强度随温度变化情况Fig.1 The mechanical strength of steel changes by temperature

2 架空地线断线案例分析

2.1 故障现场分析

2015年，某35 kV线路36开关相间距离二段保护动作，故障跳闸，重合闸不成功。经检查，架空地线在42号杆塔悬垂线夹处发生断线故障。通过登塔发现42号杆塔A相（中相）绝缘子和导线线夹处，及地线线夹处均有明显灼烧痕迹；41号杆塔B相（上相）绝缘子和导线线夹处均有明显灼烧痕迹，地线线夹处亦有明显灼烧痕迹；故障时段，该线路附近有8次落雷，其中最大雷电流为-113.9 kA，该雷电流距离故障杆塔42号最近。绝缘子闪络痕迹如图2所示。

图2 绝缘子闪络痕迹Fig.2 Flashover marks of insulator

断点位于42号杆塔地线悬垂线夹靠近小号侧，离并沟线夹约6 cm处。架空地线为GJ-35型号的钢铰线，共有7股，从断口断面看，有4股的断口处有明显的灼烧和熔化痕迹，另外3股的断口呈现拉伸变形。地线悬垂线夹处断口复原图如图3所示。

2.2 闪络原因分析

经现场检测，40号-43号杆塔接地电阻分别为10.0 Ω，11.9 Ω，11.5 Ω和 12.0 Ω，反击耐雷水平约40 kA。故障时段，监测到时间和地点最吻合的雷电流为-113.9 kA。-113.9 kA雷电流幅值较大，出现概率极低，通过计算，在湖北地区该雷电流出现概率约为0.1%。

图3 地线悬垂线夹处断口复原图Fig.3 Restored map of fracture on suspension clamp

结合现场闪络痕迹，判断为-113.9 kA雷电流击中41号-42号档距内地线，雷电流沿地线向两端传播，由于雷电流幅值极大，远超该线路耐雷水平，导致两端杆塔41号（B相）、42号（A相）绝缘子被击穿。40号-43号段为独立耐张段，40号-41号、41号-42号和42号-43号档距分别为104 m、152 m和201 m，雷击闪络示意图如图4所示。

图4 雷击闪络示意图Fig.4 Sketch map of flashover by lightning stroke

2.3 工频续流通道分析

该35 kV线路电源侧变压器为三角形接线方式，为中性点不接地系统。雷击造成41号B相和42号A相闪络击穿后，由系统继续提供工频故障电流，形成续流通道。工频续流通道等效电路图如图5所示。

图5 工频续流通道等效电路图Fig.5 Equivalent circuit diagram of power-frequency short circuit current gallery

等效电路图中，Ua和Ub分别为系统等效电源，Za和Zb分别系统等效阻抗，Z01、Z12和Z22分别为档距内地线的等效阻抗，Z40、Z41、Z42和Z43分别杆塔与对应接地体的等效阻抗。

由等效电路图可知，I1为系统提供的总故障电流，I2为流过41号-42号档距内地线的故障电流。因档距内地线等效阻抗远小于相邻杆塔接地体的等效阻抗，即Z01、Z12和Z22远小于Z40、Z41、Z42和Z43，故

由上式分析可知，I2与I1大小较为接近，即系统提供的绝大部分故障电流经由41号-42号档距内的地线形成回路，即系统—A相导线—41号-42号档距内的地线—B相导线—系统是本次工频故障电流的主要续流通道。

2.4 断线原因分析

1）该35 kV线路于1992年10月投运，已运行超过20年，地线长期受微风振动作用，地线与悬垂线夹会产生相对运动，造成地线磨损，产生缝隙；该线路处于雷击多发区，地线多次遭受雷电袭击，雷电流会在悬垂线夹与地线缝隙间产生电弧，造成地线进一步灼伤；损伤后的地线与悬垂线夹连接会不紧密，造成地线与线夹之间的接触电阻增大。

2）结合雷电监测系统查询结果，判断为-113.9 kA雷电流击中41号-42号档距内地线，雷电反击导致41号杆塔B相和42号杆塔A相均闪络击穿，造成雷击闪络故障。

3）雷击造成闪络后，由系统继续提供能量，形成续流通道；系统—A相导线—41号-42号档距内的地线—B相导线—系统是本次工频故障电流的主要续流通道，工频故障电流主要沿该通道流通；工频故障电流容易造成线夹等接触电阻较大的节点处发热，另外因本次由距离二段启动保护动作，故障切除时间较长（＞0.5 s），导致42号杆塔地线悬垂线夹处发热更加严重，最终导致地线在42号杆塔地线悬垂线夹小号侧出口处4股钢绞线被熔断，其余3根屈服强度下降，并在地线应力作用下被拉断，造成地线脱落。

综上分析，本次地线断线原因为雷击地线造成线路A、B两相均闪络击穿，导致地线流过雷电流和工频故障电流，由于故障电流切除前持续时间较长，而且线路长期运行中42号塔地线悬垂线夹处地线产生一定的磨损，造成接触电阻变大，在通过很大电流时造成42号地线线夹处严重发热，致使4股钢绞线被熔断，其余3根屈服强度下降，并在地线应力作用下被拉断，造成地线脱落。

3 防架空地线断线措施

架空地线断线故障主要发生在悬垂线夹出口处，其重要原因为悬垂线夹处是应力集中点，悬垂线夹与地线间接触电阻相对较大，通过工频故障电流后发热严重，导致部分钢绞丝被熔断，剩余钢绞丝发热后屈服强度下降，抗拉强度不足，导致拉断。因此本文针对故障时，基于减少地线线夹处流过的工频故障电流的研究方向，提出在地线悬垂线夹两侧加装引流线的防地线断线措施。引流线安装示意图如图6所示。

图6 地线悬垂线夹两侧安装引流线示意图Fig.6 Sketch map of drainage wire sideward the suspension clamp

在悬垂线夹两侧加装引流线时应注意两方面的问题：1）引流线通过并沟线夹与地线紧密相连，并沟线夹应具有较好的机械强度；2）引流线应具有较高的导电性能，保证地线-引流线-杆塔系统电阻小于地线-悬垂线夹-杆塔系统电阻。

悬垂线夹两侧加装引流线的优点有以下两方面：1）可有效对悬垂线夹两侧入侵的雷电流和工频故障电流进行分流；2）两侧紧密连接的并沟线夹可在档距中间发生断线故障时，有效防止地线不从悬垂线夹处抽出，防止故障范围扩大。

4 结论

1）地线断线的主要原因为：地线在悬垂线夹处受磨损后接触电阻增大，工频故障电流会导致地线在悬垂线夹处发热严重，造成钢丝熔断。

2）可从以下三方面综合开展防地线断线对策：（1）悬垂线夹处的地线用铝包带缠绕并压紧，防止地线磨损；（2）悬垂线夹两侧加装引流线，减小雷电流和工频故障电流在地线-悬垂线夹-杆塔通道的分流；（3）定期打开悬垂线夹进行检查，查看地线在悬垂线夹处的磨损情况。

（References）

[1]杨挺，蔡柏林.鸟害引起输电线路地线断线的原因分析及对策[J].广东电力，2006，19（12）：72-75.Yang Ting,Cai Bolin.Analysis of wire break caused by bird on overhead earth wire and prevention measure[J].Guangdong Electric Power,2006,19(12):72-75.

[2]诸约瑟.工频短路续流造成架空地线断线或烧伤的原因探讨[J].湖南电力技术，1994，6（6）：1-3.Zhu Yuese.Discussion and analysis of wire break caused by power-requency short circuit current[J].Hunan Electric Power Technology,1994,6(6):1-3.

[3]胡加瑞，谢亿，刘纯,等.架空线路典型断线分析[J].电世界，2013，2（1）：2-3.Hu Jiarui,Xie Yi,Liu Chun,et al.Analysis of wire break on overhead earth wire[J].Electric World,2013,2(1):2-3.

[4]刘晓东.110 kV线路几起雷击故障分析及对策[J].高电压技术，2002，28（9）：52-53.Liu Xiaodong.Analysis of lightning failure on 110 kV lines[J].High Voltage Engineering,2002,28(9):52-53.

[5]高日亮.35 kV右元线避雷线断线原因分析及其对策[J].农村电气化，1994，2（2）：21-22.Gao Riliang.Analysis of wire break on overhead earth wire of 35 kV line and prevention measure[J].Rural Electrification,1994,2(2):21-22.

[6]崔勇霞.架空避雷线断线事故解析[J].电工技术，2003，2（6）：41-42.Cui Yongxia.Analysis of wire break on overhead earth wire [J].ElectriclTechnology,2003,2(6):41-42.

[7]李如虎.雷直击架空避雷线能否使避雷线断线[J].高电压技术，1990，2（1）：2-3.Li Ruhu.Probability of wire-broken of shield wire due to direct lightning strike[J].High Voltage Engi⁃neering,1990,2(1):2-3.